Biología Molecular y Celular - Sesión 3 PDF

Biología molecular y celular Grado en Ingeniería Biomédica Grado en Ingeniería en Tecnologías de telecomunicación Jackeline Agorreta 2024  Sesión 3 A. Membrana celular 1. Historia 2. Componentes de la membrana: lípidos, proteínas e HC...

Biología molecular y celular Grado en Ingeniería Biomédica Grado en Ingeniería en Tecnologías de telecomunicación Jackeline Agorreta 2024  Sesión 3 A. Membrana celular 1. Historia 2. Componentes de la membrana: lípidos, proteínas e HC 3. Asimetría de la membrana B. Proteínas transportadoras: microtransporte a través de la membrana C. Macrotransporte: endocitosis y exocitosis A. Membrana celular ¿Qué componentes tiene la membrana celular? ¿Dónde se encuentra? ¿Qué funciones tiene? La membrana celular Es crucial para la vida de las células Delimita el límite exterior de las células Protege y proporciona un entorno estable dentro de la célula Permite el gradiente de iones entre el espacio intra y extracelular, permitiendo la síntesis de ATP, transmisión de impulsos eléctricos etc. Regula el transporte de nutrientes y sustancias tóxicas fuera de la célula entre el medio intra y extracelular Permite la interacción con la matriz extracelular y el resto de células vecinas Componentes de la membrana Glúcidos Oligosacáridos (glucoproteínas y glucolípidos). Solo se encuentran en el exterior de la membrana, le Proteínas confieren asimetría. Pueden ser de dos tipos: o Transmembrana, integrales o intrínsecas o Periféricas o extrínsecas Fosfolípidos Colesterol Se ubican formando una bicapa lipídica que constituye la matriz de la Se ubica entre los fosfolípidos y le membrana. Le otorgan fluidez. otorga rigidez a la membrana de Presentan comportamiento las células animales. anfipático. Propiedades de la membrana plasmática Fluidez: desplazamiento libre de las moléculas de lípidos y proteínas Autosellado: puede repararse espontáneamente (asegura la viabilidad celular) Autoensamblaje: minimiza las repulsiones entre el agua y los lípidos de la bicapa Barrera semipermeable: permite un intercambio selectivo de sustancias con el entorno Asimetría: tanto en la composición de fosfolípidos, como en la de proteínas y glúcidos 1. Historia del descubrimiento de la membrana celular Historia del descubrimiento de la membrana celular La membrana plasmática no se observa al microscopio de luz con técnicas convencionales, por lo que inicialmente se descubrió por métodos indirectos Células animales Células vegetales  Historia del descubrimiento de la membrana celular 1895: Overton sugirió la existencia de una membrana lipídica porque los lípidos traspasan fácilmente la membrana y es muy resistente al paso de corriente eléctrica 1897: Langmuir estudió los fosfolípidos y determinó que los grupos polares (hidrófilos) de cada molécula quedaban en contacto con la superficie acuosa mientras que los grupos no polares (hidrófobos) se disponían perpendicularmente a ésta  Historia del descubrimiento de la membrana celular 1925: Gorter y Grendel extrajeron los lípidos de la membrana de eritrocitos. Calcularon que, al extenderlos sobre el agua, ocupaban una superficie doble de la que debían ocupar las membranas de los eritrocitos. Llegaron a la conclusión de que la membrana es una capa lipídica bimolecular Paniagua 4ª ed  Historia del descubrimiento de la membrana celular 1932: Cole dedujo que los fosfolípidos debían estar acompañados de proteínas estudiando la tensión superficial de membranas de huevos de erizo de mar. 1940: el desarrollo del microscopio electrónico de transmisión permitió visualizar la membrana plasmática Atlas de ultraestructura celular. Burrell M, EUNSA Historia del descubrimiento de la membrana celular 1950-1960: se observa la estructura trilaminar de la membrana en muestras fijadas con osmio (espesor de 10 nm) Historia del descubrimiento de la membrana celular Las membranas de los orgánulos citoplásmicos son más delgadas (5-7 nm) y tienen mayor proporción de proteínas que la plasmática Atlas de citología práctica, Sesma P, EUNSA Historia del descubrimiento de la membrana celular 1970: desarrollo de nuevas técnicas de visualización de microscopía electrónica de transmisión ○ Contraste negativo: permitió observar protuberancias e irregularidades en las membranas, imposibles de apreciar en los cortes ○ Criofractura: permitió observar la superficie de las dos hemimembranas: P (protoplásmica o interna) y E (exoplásmica o externa) y las proteínas integrales de membrana Historia del descubrimiento de la membrana celular Paniagua 4ª ed 1972: Singer y Nicolson proponen el modelo del mosaico fluido de membrana (vigente en la actualidad) 2. Componentes de la membrana Estructura de la membrana plasmática Lípidos (40%) Proteínas (60%) Hidratos de carbono (glicoproteínas y glicolípidos) Paniagua 4ª ed Lípidos de la membrana plasmática Proporcionan el esqueleto de la membrana Tienen una parte polar (hidrofílica) y una apolar (hidrofóbica) Lípidos de la membrana plasmática Lípidos de la membrana plasmática Lípidos de membrana Fosfolípidos Glucolípidos Esteroles Colesterol Glicerofosfolípidos Esfingomielinas Lípidos de la membrana AC Villaro, Histología para estudiantes Fosfolípidos: los más abundantes 1. Glicerofosfolípidos: Cabeza polar con glicerol unido a un grupo fosfato y a una molécula de colina, serina, o etanolamina. Cola apolar (hidrofóbica) con dos ácidos grasos de longitud variable (12-20 carbonos). Uno de los ácidos es saturado y el otro insaturado Alberts 6ª ed Fosfolípidos: los más abundantes 2. Esfingolípidos: Tienen esfingosina en vez de glicerol Alberts 6ª ed  Función de los fosfolípidos Forman la estructura de la membrana Proporcionan una barrera selectiva Dan fluidez y dinamismo a la membrana: distribución asimétrica: ○ Hemimembrana interna: Fosfatidil serina, fosfatidil inositol y fosfatidil etanolamina ○ Hemimembrana externa: fosfatidil colina y esfingomielina AC Villaro, Histología para estudiantes  Esteroles: colesterol Con un hidroxilo en un extremo y una cadena alifática corta en el otro Presente en ambas membranas Regula la fluidez de la membrana y aumenta su estabilidad ○ A bajas temperaturas, aumenta la fluidez ○ A altas temperaturas: limita la movilidad de los fosfolípidos AC Villaro, Histología para estudiantes  Glicolípidos Responsables de la asimetría de ambas capas, ya que son muchísimo más abundantes en la hemimembrana externa Importantes en el glicocálix Funciones: ○ Reconocimiento celular ○ Adhesión ○ Comunicación celular AC Villaro, Histología para estudiantes Hidratos de carbono de la membrana (glicocálix) Se encuentran en el lado externo Unidos covalentemente a lípidos (glicolípidos) o proteínas (glicoproteínas) Su desarrollo depende de la función de la célula La bicapa es una matriz lipídica fluida Los lípidos pueden hacer desplazamientos de difusión lateral, rotación y flexión El movimiento entre las dos hemimembranas (flip-flop) es muy raro 106 veces/s Alberts 6ª ed Factores que afectan a la fluidez de la membrana Composición lipídica: ○ Longitud y grado de insaturación de los ácidos grasos: los AG cortos o insaturados no encajan bien en la membrana y hacen que sea menos fluida ○ Esteroides como el colesterol (célula animal) y los fitoesteroles (célula vegetal) regulan la resistencia y la fluidez de las membranas (dependiendo de la temperatura)  Balsas lipídicas (“rafts”) Microdominios lipídicos estables de esfingolípidos y colesterol que forman dominios ordenados y densos Pueden contener proteínas relacionadas con la señalización celular, adhesión o internalización de moléculas Funciones: ○ Organización de proteínas y lípidos ○ Señalización celular ○ Endocitosis ○ Adhesión celular Proteínas de la membrana Proteínas integrales: interrumpen la bicapa ○ Transmembrana (la mayoría): atraviesan la bicapa completamente (canales, transportadores o receptores) ○ Monotópicas: sólo en una hemimembrana (proteínas G) Proteínas asociadas: sobresalen en una de ambas hemimembranas ○ Proteínas periféricas: se asocian temporalmente a la zona citoplasmática (enzimas o proteínas de unión al citoesqueleto) ○ Proteínas ancladas en lípidos Proteínas de la membrana Proteínas integrales Son anfipáticas: presentan una distribución asimétrica de los grupos hidrófilos e hidrófobos Los grupos polares quedan generalmente en la superficie de la membrana, y los residuos no polares permanecen embebidos entre las cadenas hidrocarbonadas de los fosfolípidos Se unen a los lípidos por interacciones hidrofóbicas (difíciles de aislar) Alberts 6ª ed Proteínas integrales Pueden realizar movimientos de rotación y de traslación Este movimiento puede abrir poros transitorios permitiendo el paso a través de la membrana del agua y otras sustancias: Permeabilidad selectiva Algunas proteínas actúan como moléculas transportadoras Proteínas asociadas Sobresalen en una de ambas hemimembranas No están estrechamente asociadas a los lípidos (se extraen fácilmente) Son mucho más frecuentes en la hemimembrana interior (muchas en relación con el citoesqueleto) Alberts 6ª ed 3. Las proteínas también influyen en la asimetría de la membrana Asimetría de la membrana plasmática Alberts 6ª ed Uso industrial de membranas sintéticas: liposomas  bicapas lipídicas sintéticas: liposomas Las vesículas esféricas cerradas (liposomas) se obtienen agregando fosfolípidos puros al agua. El tamaño puede variar desde 25 nm a 1 mm de diámetro. APLICACIONES BIOMÉDICAS DE LOS LIPOSOMAS: sistemas de liberación de fármacos o tratamientos. https://www.news-medical.net/life-sciences/ What-is-a-Liposome.aspx Vacunas de RNA encapsulado (covid 19) https://youtu.be/Ym3mTa5WEOY https://youtu.be/jmYn1jJZ9BE Evan Ingersoll & Gael McGill (Digizyme Inc, Brookline MA) https://www.digizyme.com/cst_ landscapes.html Reconstrucción con datos de: -Microscopía crioelectrónica - Rayos X - Resonancia magnética nuclear http://media.cellsignal.com/www/html/science/landscapes/rtk/rtk.html Tipos de proteínas de membrana según su función Proteínas transportadoras  B. Microtransporte: no implica una deformación visible de la membrana Transporte a través de la membrana plasmática La estructura apolar del interior de la bicapa lipídica restringe el paso de la mayoría de sustancias polares La velocidad con la que una molécula difunde a través de una bicapa lipídica sintética depende de su tamaño y de su solubilidad y su polaridad. Las sustancias hidrofílicas y los iones atraviesan la membrana mediante proteínas transportadoras (los iones no pasan a través de membranas sin proteínas) Alberts 6ª ed Microtransporte Sustancias hidrófobas: son liposolubles y repelen al agua; atraviesan la membrana sin un transportador específico Sustancias hidrófilas: son hidrosolubles: necesitan un transportador específico Tipo de transporte según la energía precisada Transporte pasivo: no precisa energía (transporte a favor de gradiente de concentración) Transporte activo: requiere energía (en contra de gradiente) Alberts 6ª ed  Difusión simple TRANSPORTE PASIVO Canales (poros) Difusión facilitada Transportadores Directo TRANSPORTE ACTIVO Indirecto  Transporte pasivo: las sustancias se mueven espontáneamente a través de la membrana por fuerzas de gradiente de concentración o gradiente electroquímico Difusión simple No implica moléculas especializadas de membrana A favor de gradiente: equilibrio de concentraciones Moléculas pequeñas y poco polares Paniagua 4ª ed Transportador proteico Sencillo: uniporte Doble unidireccional: simporte Doble bidireccional: antiporte Villaro AC 1ª ed Difusión facilitada Mediada por proteínas integrales de membrana, siempre a favor de gradiente: ○ Poros o canales de membrana: permiten el paso rápido de solutos sin que haya un cambio de conformación de la proteína (iones, agua, …) ○ Transportador proteico (permeasas): los solutos inducen un cambio de conformación en la proteína (transportadores de glucosa, aminoácidos, iones) Villaro AC 1ª ed Difusión facilitada Mediada por proteínas integrales de membrana: ○ Las proteínas de canal transportan los solutos mucho más rápido que las proteínas transportadoras ○ La dirección del transporte depende de la concentración del soluto a ambos lados de la membrana. ○ Las moléculas fluyen desde el sitio de mayor concentración al de menor de forma espontánea, siempre que exista una vía que lo permita Transporte activo Transporte en contra de un gradiente de concentración (transporte activo) Requiere un aporte de energía (ATP) Solo lo pueden llevar a cabo proteínas transportadoras denominadas bombas Villaro AC 1ª ed Transporte activo Cada proteína transportadora es muy selectiva, y con frecuencia transporta un solo tipo de molécula Cada tipo celular y cada membrana posee su propio conjunto característico de proteínas transportadoras Alberts 6ª ed Vídeos interesantes Juego tipos de transporte: https://contrib.pbslearningmedia.org/WGBH/conv19/tdc02-int-membrane web/index.html Vídeo 3D membrana: https://youtu.be/GW0lqf4Fqpg Transporte Khan academy: https://youtu.be/knv4fNNoEG8 Transporte pasivo Khan academy: https://youtu.be/ZAbrCJxk8fs Difusión y ósmosis Khan academy: https://youtu.be/aubZU0iWtgI Gradientes sodio/potasio Kahn academy: https://youtu.be/q_sn56V9bfo C: Macrotransporte a través de la membrana endocitosis y exocitosis  Transporte transmembrana Exocitosis: salida de sustancias de la célula Endocitosis: entrada de sustancias en la célula ○ Pinocitosis ○ Fagocitosis Villaro AC  Endocitosis: dos tipos Pinocitosis (100 nm): entrada de líquido y solutos pequeños Fagocitosis: entrada de microorganismos, restos celulares, etc. Fagocitos profesionales (macrófagos o neutrófilos) Villaro AC  Tipos de pinocitosis Fluida: incorporación de líquidos y sustancias disueltas Mediada por clatrina/mediada por receptor (vesículas revestidas): hormonas, factores de crecimiento, virus... Mediada por caveolina: colesterol y glicolípidos (comunes en músculo liso, adipocitos y endotelios Villaro AC Vesículas de clatrina Tras perder la clatrina, las vesículas se fusionan con endosomas tempranos Los receptores se liberan del ligando y se reciclan en la membrana La carga se puede degradar o se puede enviar a otro destino (transcitosis) Villaro AC Endocitosis: fusión con los lisosomas Endocitosis: fusión con los lisosomas La vesícula recién introducida en la célula pierde la clatrina: endosoma temprano Posteriormente migra hacia el aparato de Golgi y su contenido se acidifica (endosoma tardío): desacoplamiento del receptor y ligando El endosoma tardío se fusiona con los lisosomas: digestión del contenido del endosoma  Fagocitosis Típica de fagocitos profesionales (macrófagos y neutrófilos) El material fagocitado es destruido o digerido parcialmente en los endosomas Tres fases: acercamiento, reconocimiento y destrucción Villaro AC Endocitosis: fusión con los lisosomas Las moléculas endocitadas son degradadas por las hidrolasas ácidas Los lisosomas son especialmente abundantes en células con función fagocítica: Osteoclastos Leucocitos polimorfonucleares Macrófagos Hepatocitos En las células vegetales no existe este orgánulo como tal, aunque existen enzimas hidrolíticas en la vacuola y la pared celular  Endocitosis: fusión con los lisosomas Los materiales destinados a la degradación pueden provenir de la diferentes orígenes: fagocitosis pinocitosis autofagia y seguir dos procesos: degradación por enzimas lisosómicas transcitosis: transporte de vesículas sin ser degradadas Villaro AC Bibliografía Citología e histología vegetal y animal. Paniagua 4ª ed. Molecular Biology of the cell. Alberts 6ª ed. Histología para estudiantes. Villaro AC, Panamericana. Atlas de citología práctica. Sesma P, EUNSA Atlas de ultraestructura celular. Burrell M, EUNSA Biología celular biomédica. Calvo A, Elsevier https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cell-structure-and-functio n/facilitated-diffusion/a/active-transport